施耐德电气 一种可复用以及低成本的读卡模块的设计与实现
- 关键词：RFID,,读卡模块
- 摘要：近年来，RFID(射频识别)标签技术已经被广泛应用于进出控制系统，例如门禁、加油站等。在电力系统领域中，能够识别使用者的身份和权限在能耗和计费管理中有着十分重要的作用
近年来，RFID(射频识别)标签技术已经被广泛应用于进出控制系统，例如门禁、加油站等。在电力系统领域中，能够识别使用者的身份和权限在能耗和计费管理中有着十分重要的作用。利用RFID技术，用户不需要记住密码，可以使用RFID卡,来获取用电的权限，因此RFID技术在用电能效管理上具有十分重要的意义。
目前RFID技术主要的方案是Mifare卡,HID卡和EM公司的方案，它们都需要采用专用芯片进行识别和读卡操作，然后通过串行或者并行的方式传送到系统的主控制器，并且占据了一个主控制器的外设，例如SPI、I2C和UART.。因此这种方案对于简单的RFID应用，成本和效率上不是很占有优势。存在以下三个不足：
1. 由于多加了一个专有读卡芯片，成本呢较高。
2. 占用主控制器有限的外设和输入输出口
3. 需使用单独的13.56Mhz晶体作为载波调制信号。
本系统使用的RFID技术的中心载波频率为13.56Mhz±7Hz,数据编码符合ISO15693-2(快速模式) 曼彻斯特编码标准，并且具有多卡冲突检测的功能。
如图1所示，这是13.56Mhz 的RFID读写器系统工作流程。一般情况下，系统必须有输入和输出系统，才可以称为一个完整系统。VCD(邻近耦合设备) 和VICC(附近集成电路卡)之间的对话通过以下操作方式进行通信：
1. VCD通过13.56Mhz频率激活VICC。
2. VICC等待VCD指令。
3. VCD发送指令。
4. VICC响应VCD指令。
通过以上四个步骤，如图2所示，VCD通过使用100%ASK幅度调制适合以及耦合天线激活了VICC，并且为VICC提供了电能。因此一个13.56Mhz的载波频率必须产生，可以使用以下的一些方法产生这个载波频率：
1. 使用和主控芯片相同的13.56Mhz晶振。
2. 如果微处理器具有频率分频或者倍频功能块，定义乘法和值除以，它可以产生13.56 MHz的频率。
3. 使用特定的频率产生芯片。
由于使用了100% ASK 全幅度调制模式，VCD发送给VICC需要满足6.0us < t1 < 9.44us之间，这里只需要在6.0us < t1 < 9.44us内操作频率输出端口的开闭即可满足条件。
VCD激活VICC后，VICC 的身份信息，例如卡号，就可以通过载波传送至VCD信号处理电路，该频率为423.5kHz.。
如图3所示，设计检波电路，获取423.5KHz信号，最关键的是L, C的选取。根据公式，F=2πL/ c，可以得到的L和C的值。但在实际的条件下，L和C值可能会有一定的偏差。使用可调电路进行电容补偿，它可以调整到期望值。现在，VICC被激活，并响应与调制载波的VICC数据。通过一个二极管和滤波电路，让VICC数据信号由MOSFET控制，因此它不会影响被激活的VICC信号。检波电路结合MOSFET和比较，是一个曼彻斯特编码的脉冲信号。
为了恢复恢复曼彻斯特编码中带有的时钟信号，采用信号放大和施密特触发器将信号整理成更易于解码的标准信号。结果会产生一些延时，但是这是基于时钟解码曼码的方法，这样就可以解出高灵敏度的VICC中的数据。
在软件设计上，由于载波数据的时间间隔非常短，最小间隔为9.44ns, 最长价格为56.64ns，不能够用中断的方式，因为需要查询状态位，然后处理，需要时间。因此，这里主要采用时间等待的方式，发送命令，检查起始帧头SOF(参见：ISO15693)，根据上升沿与下降沿的时间间隔，这需要占用一个MCU的硬件Timer, 采用时间处理的方法，用来恢复曼彻斯特码的时钟周期，从而解得所需的数据。
总结：
新的方法主要采用了MCU内部PLL电路（或者外部PLL）来产生13.56Mhz的载频，通过定时的开关这个载频信号，将数据发送给卡。卡会通过电路，会以423.5Khz的副载波返回卡内部信息，然后通过离散电路输出一个带423.5KHz的调制信号的曼彻斯特码的调制信号，为了获得不带调制信号的曼彻斯特码数据，加入了2阶积分电路，并且采用运放将内部的调制信号滤除，然后从MCU的普通IO口输入。
在软件上，主要涉及的内容有，发送命令，检查起始帧头SOF(Ref: ISO15693),根据上升沿与下降沿的时间间隔，这需要占用一个MCU的硬件Timer, 采用时间处理的方法，用来恢复曼彻斯特码的时钟周期，从而解得所需的数据。
如图5，给出了整个数据处理的流程。
采用以上的方法，解决了成本和通用问题
1. 采用离散电路处理，不需要专用读卡IC, 成本大大降低。
2. 对于MCU，只使用了2个IO口，可一个内部时钟定时器。
3. 由于使用了PLL进行分频和倍频，MCU可以用标准的晶体来驱动，这样避免了其他模块时钟偏差的问题。
4. 加入调制信号滤除电路，使得MCU处理曼彻斯特码的时候不需要计沿触发的次数，也不需要调整IO口对于上升下降沿的敏感度。这样对于大部分的MCU都可以处理，做到通用。